[논문]선형마이크로폰 어레이를 이용한 저격수 거리추정 개선방법과 실험 분석

정승우

doi:10.9766/kimst.2018.21.4.447

[국내논문] 선형마이크로폰 어레이를 이용한 저격수 거리추정 개선방법과 실험 분석
Improvement Method and Experiment Analysis of Sniper Distance Estimation Using Linear Microphone Array 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.21 no.4, 2018년, pp.447 - 455

정승우 (합동참모본부 군사지원본부)

Abstract ▼ AI-Helper

If a hidden enemy is shooting, there is a threat against soldiers in recent conflicts. This paper aims to improve the localization of a muzzle using microphone array. Gunshot noise can provide information about the location of muzzle with two signals, the muzzle blast from the gun barrel and the projectile sound from the bullet. Two signals arrive to the microphone array with different arrival time and angle. If the arrival angles of the two signals are estimated, distance between sniper location and the microphone array can be calculated by using geometric principles. This method was established in 2003 by Pare. But this method has a limitation that it cannot calculate the distance when the arrival angles of the two signals are same. Also it has an error when the angle difference of arrival is small. In order to overcome this limitation, a new method is proposed that uses the change of characteristic of the projectile sound with respect to vertical distance from the trajectory. The proposed method estimates the distance correctly when the arrival angle of two signals are same, and when the angle difference between two signals is increased, the estimation error increases with respect to the angle. Therefore these two methods can be selected according to the angle difference between two signals to estimate the distance of the muzzle. Below the threshold of the angle difference, the proposed method can be used to estimate distance with smaller error than the existing method. This was demonstrated by shooting tests using actual sniper rifles.

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문제 정의

이러한 위험한 과정을 막기 위해 현대전의 경우 다양한 무인로봇을 개발 중에 있으며 이러한 공격용 무인로봇에 저격수를 제압하기 위해서는 저격수의 방향뿐만 아니라 정확한 거리 추정이 필요하다. 따라서 본 연구의 목적은 마이크로폰 어레이를 이용하여 총구 위치와 마이크로폰 어레이 중심 사이의 거리 추정 방법을 개선하는 것이다.
일반적인 음원의 경우 거리 추정은 어렵지만 총소리는 탄환이 초음속일 경우 두 신호가 발생하고 각각 전파 원리가 다름으로 인해 거리를 추정할 수 있다. 먼저 기존 거리 추정 방법의 원리와 한계점에 대해 알아보도록 하겠다.
실험 목적은 앞에서 제시한 문턱값 내에서 거리추정방법 1을 사용함으로써 거리 추정 오차가 감소하는지를 확인한다. 또한 두 신호의 입사각이 같은 구간에서 거리 추정에 대한 한계점을 극복하고자 한다.
실험 목적은 앞에서 제시한 문턱값 내에서 거리추정방법 1을 사용함으로써 거리 추정 오차가 감소하는지를 확인한다. 또한 두 신호의 입사각이 같은 구간에서 거리 추정에 대한 한계점을 극복하고자 한다.
2번째 목적은 문턱값 이내에서 거리 추정 1보다 거리 추정 2의 거리 추정 오차가 더 작음을 확인하는 것이다.
본 연구의 목적은 총소리를 이용하여 총구와 마이크로폰 어레이 중심 사이의 거리 추정 방법을 개선하는 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 기존 거리 추정 원리를 알아보고 한계점인 두 신호의 입사각이 같을 경우 식이 성립하지 않는 것과 두 신호의 입사각 차가 작을수록 거리 추정 오차가 증가한다는 것을 확인하였다.

가설 설정

6은 총구와 마이크로폰 사이의 거리 증가에 따른 마하각 감소를 고려한 기존 거리 추정 오차를 보여준다. 이때 탄환의 속도는 마이크로폰 어레이 측정 구간에서는 그 변화가 매우 작음으로 인하여 측정 구간 내에서는 일정하다고 가정한다.

제안 방법

따라서 이를 보다 일반적인 식으로 정리하기 위하여 총구 방향이 ω로 어레이의 방향과 다를 경우에 대해 알아보도록 하겠다.
거리추정방법 1의 한계점인 두 신호의 입사각의 차가 작아질수록 거리 오차가 증가하는 구간에서 거리 추정 오차를 줄이기 위한 거리추정방법 2를 제안하고자 한다.
이러한 두 신호의 입사각 차의 변화량(Δθ)에 따라 2가지 거리추정방법의 실제 거리(D)에 따른 추정거리(DE)의 오차를 확인함으로써 문턱값(ΔθT)을 선정한다.
예비실험을 통해 두 신호의 입사각이 같은 측정 구간에서 두 신호의 방향 추정을 통해 두 신호의 입사각이 같은 위치를 선정하고 이러한 지점에서 거리 추정 2를 통해 거리 추정이 되는지 여부를 확인하도록 하겠다.
실험 1로 기존 거리 추정이 성립하지 않은 구간에서 거리 추정 2를 사용하여 거리를 추정하였다. 또한 실험 2와 3을 통해 4장에서 제시한 문턱값 이내에서 추정 2를 사용함으로써 거리 추정 오차를 감소할 수 있음을 증명하였다.
이러한 거리추정방법 1의 한계점을 해결하기 위해 탄도 수직거리 증가에 따른 탄환 충격파의 특징 변화를 이용한 거리추정방법 2을 제안하였으며 두 신호입사각이 같은 구간에서 거리추정을 하였다. 또한 거리추정 1과 2의 실제 거리 대 추정 거리의 오차를 분석을 하여 문턱값을 선정하였으며, 이러한 문턱값 선정으로 인해 2가지 거리추정방법 중 거리추정 오차가작은 거리 추정을 선택함으로써 거리추정 오차를 감소시켰다.
이러한 거리추정방법 1의 한계점을 해결하기 위해 탄도 수직거리 증가에 따른 탄환 충격파의 특징 변화를 이용한 거리추정방법 2을 제안하였으며 두 신호입사각이 같은 구간에서 거리추정을 하였다. 또한 거리추정 1과 2의 실제 거리 대 추정 거리의 오차를 분석을 하여 문턱값을 선정하였으며, 이러한 문턱값 선정으로 인해 2가지 거리추정방법 중 거리추정 오차가작은 거리 추정을 선택함으로써 거리추정 오차를 감소시켰다.

대상 데이터

신호 발생 장치는 k-14 저격용 소총을 사용하였으며 탄약은 RUAG 7.62 × 51mm탄을 사용하였다.
데이터 수집 장치는 cDAQ-9178(샘플링 주파수 51.2 kHz, 32 bit, ± 5V)을 사용하였다.
2가지의 거리추정방법을 선택하기 위한 문턱값 선정은 먼저 운용 거리를 결정하고 운용 거리에 따른 최대 마하각을 추정하여 Δθ에 따른 2가지 거리 추정 방법의 거리 추정 오차가 같아지는 지점 문턱값을 선정할 수 있다. 본 연구에서 운용 거리는 2차 세계대전, 한국전쟁 및 월남전 등 전쟁 기록 분석결과 적과의 교전이 95 %로 가장 많이 발생하는 400m 이내^[7]로 선정한다.

성능/효과

[2] 초음속 탄환에 의한 공기 파열음인 탄환 충격파는 탄환이 유체 속을 음속보다 빠른 속도로 이동할 때, 압력변화의 파면이 중첩되어 발생한다.
첫째, 두 신호의 입사 각의 차가 Δθ ≃ 0에 가까울수록 거리 추정 오차가 증가한다.
거리추정방법 1은 두 신호의 입사각의 차가 적을 경우, 거리 추정 오차가 증가하며, 거리추정방법 2는 두 신호의 입사각이 차가 커질수록 거리 추정 오차가 증가하는 것을 알 수 있다. 이러한 2가지 거리추정방법은 두 신호의 입사각의 차에 따라 거리 추정 오차가 달라지기 때문에 이러한 두 신호의 입사각의 차 (Δθ)에 따른 2가지 거리추정방법들 중 어떤 알고리즘을 사용할지를 결정해야 한다.
76m이고 방위각은 56도임을 보여준다. 이러한 구간에서 11개 채널 등 간격 선형 어레이를 이용하여 방향 추정한 결과 총구 폭풍파의 방향과 탄환 충격파의 방향이 같음을 확인할 수 있다.
7 m이고 방위각은 51도임을 보여준다. 이러한 구간에서 11개 채널 등 간격 선형 어레이를 이용하여 방향 추정한 결과 두 신호의 입사각 차가 13도임을 확인할 수 있다.
거리 추정 1로 거리 추정 결과 실제 거리 31.7 m에서 5발 사격 평균 거리는 20.3 m(표준편차 0.7 m)이고 거리 추정 오차는 36 %이다. 이때 두 신호의 도달 시간차는 Δt = 1.
5 ~ 102 Pa이다. 실제 거리 31.7 m에서 5발사격 평균 추정 거리는 30.2 m(표준편차 3.7 m)이고 거리 추정 오차는 5 %로 문턱값 이내에서 거리 추정 2가 더 정확한 거리 추정을 하는 것을 확인할 수 있다.
5도임을 보여준다. 이러한 구간에서 11개 채널 등 간격 선형 어레이를 이용하여 방향 추정한 결과 두 신호의 입사각 차는 18도임을 확인할 수 있다.
거리 추정 1로 거리 추정 결과 실제 거리 28m에서 5발 사격 평균 거리는 24.4 m(표준편차 0.4 m)이고 거리 추정 오차는 13%이다. 이때 두 신호의 도달 시간차는 Δt = 3.
거리 추정 2로 확인 결과 두 신호가 분리되어 관측되며 최대진폭의 추정 없이 필터링한 결과 실제 거리 28m에서 5발 사격 평균 거리는 24.5 m(표준편차 0.6 m)이고 거리 추정 오차는 13%로 2가지 거리 추정 방법의 거리 추정 오차가 같아짐을 확인하였다.
실험 1로 기존 거리 추정이 성립하지 않은 구간에서 거리 추정 2를 사용하여 거리를 추정하였다. 또한 실험 2와 3을 통해 4장에서 제시한 문턱값 이내에서 추정 2를 사용함으로써 거리 추정 오차를 감소할 수 있음을 증명하였다. 그러나 본 실험은 반사파가 없는 개활지에서 수행되었으며, 장애물에 대한 반사파를 제거하거나 분리하기 위한 연구는 추가적으로 필요하다.
본 연구의 목적은 총소리를 이용하여 총구와 마이크로폰 어레이 중심 사이의 거리 추정 방법을 개선하는 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 기존 거리 추정 원리를 알아보고 한계점인 두 신호의 입사각이 같을 경우 식이 성립하지 않는 것과 두 신호의 입사각 차가 작을수록 거리 추정 오차가 증가한다는 것을 확인하였다.

후속연구

또한 실험 2와 3을 통해 4장에서 제시한 문턱값 이내에서 추정 2를 사용함으로써 거리 추정 오차를 감소할 수 있음을 증명하였다. 그러나 본 실험은 반사파가 없는 개활지에서 수행되었으며, 장애물에 대한 반사파를 제거하거나 분리하기 위한 연구는 추가적으로 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	거리추정방법을 구분하기위해 문턱값(threshold)의 선정이 필요한 이유는 무엇인가?	거리추정방법 1은 두 신호의 입사각의 차가 적을 경우, 거리 추정 오차가 증가하며, 거리추정방법 2는두 신호의 입사각이 차가 커질수록 거리 추정 오차가 증가하는 것을 알 수 있다. 이러한 2가지 거리추정방법은 두 신호의 입사각의 차에 따라 거리 추정 오차가 달라지기 때문에 이러한 두 신호의 입사각의 차 (Δθ)에 따른 2가지 거리추정방법들 중 어떤 알고리즘을 사용할지를 결정해야 한다. 다시 말해 두 신호의 입사각 차에 따른 거리 추정 방법을 구분하기 위한 문턱값(threshold)의 선정이 필요한 것이다.
	총구 폭풍파는 무엇인가?	본 연구에서 핵심 용어인 총소리는 추진가스의 팽창에 의한 총구 폭풍파(muzzle blast), 초음속 탄환에 의한 공기파열음인 탄환 충격파(projectile sound), 두 가지로 나눠진다[1] . 총구 폭풍파는 포강 내 고온, 고압의 추진제 가스가 총구를 이탈하는 순간에 한번 발생하는 음원이다. 이러한 총구 폭풍파는 총구 전방 수십 미터 이상에서 점 음원으로 나타나며 음파속도로 전파된다.
	은폐된 적의 거리 추정이 필요한 이유는 무엇인가?	은폐된 적의 정확한 위치 추정을 위해서는 방향뿐만 아니라 거리 추정이 필수적이다. 은폐된 적의 거리 추정이 필요한 이유는 사격 방향만을 인지할 경우 신속한 은·엄폐로 자신을 보호할 수 있으나 거리를 인지하지 못한다면 적의 정확한 위치를 추정하지 못하고 이로 인해 효과적인 적 제압이 불가능하다. 또한 이러한 상황조치는 사람에 의해 이루어지며 이러한 과정은 저격수의 정확한 위치를 식별한 이후에도 매우 위험하다.

참고문헌 (8)

ISO 17201-4:2006(en), [Acoustics - Noise from Shooting Ranges - Part 4: Prediction of Projectile Sound]
Watters, B. G., "The(Sound of a Bursting) Red Balloon," SOUNDS, Volume 2, Number 2, March- April 1963.
J. Bedard and S. Pare, "Ferret: a Small Arms Fire Detection System: Localization Concepts," Vol. 5071, No. 1, SPIE, pp. 497-509, 2003.
DuMond, J. W. M., Cohen, E. R., Panofsky, W. K. H., and Deeds, E., "A Determination of the Wave Forms and Laws of Propagation and Dissipation of Ballistic Shock Waves," The Journal of the Acoustical Society of America 18(1), pp. 97-118, 1946.
G. B. Whitham, "The Flow Pattern of a Supersonic Projectile," Commun. Pure Appl. Math. V, pp. 301- 348, 1952.
Snow, W. B, "Survey of Acoustic Characteristics of Bullet Shock Waves," IEEE Trans. on Audio and Electromagnetics AU-15(4), pp. 161-176, 1967.
Heung-Ju Lee, "Gun and Ballistics," Cheong Moon Gak, p. 410, 2012.
Maher, Robert C., and Steven R. Shaw, "Deciphering Gunshot Recordings," Audio Engineering Society Conference: 33rd International Conference: Audio Forensics-Theory and Practice. Audio Engineering Society, 2008.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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